基于PLC控制的煙包外觀質量檢測系統改造

向金 普恒 謝惠 范繼東 夏梓瑜

摘 要： 在煙草工業系統內，卷煙的生產、包裝過程中由于翻轉、抓取、推送等機械運動導致煙包存在一些質量問題，例如：折痕、翹邊、破損、歪牌等質量缺陷，對煙包外觀質量造成很大影響。因此本文提出了一種基于西門子公司S71200PLC應用于主流機型的煙包外觀質量檢測系統改造方法，并且該系統已經在應用中取得良好成效。本文闡述了改造系統的構成，包括硬件部分和軟件部分，具體分析了系統的控制器和圖像采集模塊。

關鍵詞： 煙包外觀;PLC;質量檢測;CCD工業相機

1 概述

卷煙生產過程中，由于小包在自動化生產軌道上的機械運動作用，經常會出現外觀質量缺陷，例如：封簽歪斜或脫落、上蓋破損或變形、玻璃紙破爛等質量缺陷。目前卷包機自動化水平較高，其生產速度很快，良好的供給下效率可達1000包/min，如此高的速度，靠工人識別缺陷是不可能的，因此煙包外觀質量檢測系統成為了一種有效降低煙包外觀缺陷的高效工具。

傳統的煙包外觀質量檢測系統根據原理可以分為以下幾種類型：（1）機械式玻璃紙檢測，由于煙包外盒被玻璃紙包裝，檢測時對破損玻璃值檢測到變形，來判斷包裝是否破損，如果包裝外玻璃紙破損，那么就是壓迫探針就會產生形變，這是一種較為傳統的機械式檢測，檢測精度較低，現在已經不太常用。（2）電子式傳感器檢測，主要利用煙包缺陷的特殊性進行檢測，傳感器有電容、電感、顏色、等類型，可以檢測煙盒反盒、盒紙翹邊這類缺陷，缺點是對盒紙破損、無玻璃紙、盒線錯牙、包裝錯位缺陷難以識別檢測。（3）視覺檢測，通過攝像頭采集圖像信息，再經過CPU識別對比是否存在缺陷，進行快速判斷相對前兩種方式更加智能，其體積小且單元組織簡單，安裝使用方便，其缺點是相機CPU同時處理圖像并進行工業控制，運算速度較慢，無法處理特別復雜的圖案，導致同步度低，因此檢測能力有待提高。

2 檢測系統的總體方案設計

該檢測系統以西門子公司的S71200PLC作為控制中心，采用工業相機結合PLC方式檢測，PLC性能強大、運算速度快，并且可以可拓展內存，滿足更高要求的檢測。在煙包外觀質量檢測系統應用中，可以結合實際情況有針對性的進行開發，對檢測算法優化提升，應用在不同復雜情況下。

PLC與包裝機控制系統相連接，當出現問題時可以及時反饋給包裝機，讓其剔除不合格煙包，控制器還接有光纖傳感器和CCD工業相機的圖像采集通訊接口，光纖傳感器用來檢測煙包距離位置，圖像采集單元后將圖像信息發送給PLC，PLC通過圖像處理檢測出有缺陷的煙包，并發出信號給包裝機控制系統，完成剔除命令。此外，還需要LED光源輔助CCD工業相機進行圖像采集工作，通過顯示屏進行人機交互，直觀的反映出該系統的工作狀態，特殊情況下可以進行人工干預處理。系統正常工作時，首先在檢測煙包在LED光源的輔助下通過CCD工業相機進行檢測，如果檢測合格，則正常流出流水線;如果檢測不合格，PLC會將圖像采集識別得到的異常信息發送給包裝機的控制系統，使包裝機執行剔除處理。

3 檢測系統的硬件設計

本系統的硬件主要有左右兩個CCD工業相機、LED輔助光源、S71200PLC、兩套光纖傳感器、液晶顯示屏。

3.1 煙包圖像采集模塊

圖像采集模塊在系統中負責采集信號并進行初步處理，是整個控制系統的眼睛，起到感知識別的作用。系統工作時，圖像采集模塊在LED光源的輔助下對煙包進行一定頻率的圖像采集，然后對圖像進行初步處理優化后傳輸給PLC控制器，的作用組件負責采集待檢測煙包圖像并進行初步處理后傳送給控制器。本系統采用高分辨率的CCD工業相機，為常用的CMOS圖像傳感器，由于煙包在流水線上運行速度很快，所以相機需要采用高曝光模式，在短時間內采集到清晰有效的圖像。此外LED光源相比市場上的鹵素燈，熒光燈等具有更好的響應速度，具有使用壽命長、性價比高、單色性好等優點，因此本系統采用LED光源。 LED光源在使用時，可以安裝在多個角度，保證煙包四周都照明清晰，不出現死角，避免出現反光、陰影等對圖像處理產生阻礙。在曝光時，左右兩個工業相機要分時進行，不能同時曝光，否則會出現光源相互干擾，即逆光現象導致的圖像不清晰。

3.2 PLC核心控制模塊

1200PLC控制系統是本煙包外觀質量檢測系統的核心單元，負責圖像處理和控制命令的下達，系統由CPU、8KB數據區、64KB程序區和通訊記錄單元組成，實現對煙包的檢測和數據的存儲記錄以及對剔除機構的信號控制。

3.3 執行信號模塊

何時對煙包進行圖像采集，又何時執行剔除動作，這都取決于光纖傳感器的位置信號。系統中有兩套光纖傳感器，一套安裝在煙包的檢測位置，當煙包經過檢測位置時，光纖傳感器向PLC發送信號，PLC使兩個工業相機采集一次信號，并立即進行圖像處理;另一套安裝在煙包剔除位置上，當檢測到煙包有缺陷時PLC發送信號給煙包系統的剔除機構，剔除機構收到信號后通過高速氣閥，將煙包迅速推出流水線。

3.4 液晶顯示模塊

通過觸摸液晶顯示器可以直觀地反映出煙包檢測的實時狀態，過顯示屏進行人機交互，特殊情況下可以進行人工干預處理，通過觸摸顯示屏對系統參數進行調整校準。顯示屏還可以顯示不合格煙包計數以及合格率合格率，經過計算后在顯示屏上顯示必要的數據。若合格率過低，則需要對煙包系統進行維修調整。

4 檢測系統的軟件設計

在系統硬件系統組裝完成以及傳感器校準之后，通過PLC1200編制對應的程序，進行數據的采集、比較、輸出、存儲以及顯示。本部分主要針對煙包圖像匹配定位的方法和原理進行說明。

煙包在傳送軌道上快速運動，因此不能完全夾緊，只能通過限位裝置限定煙包的活動區間，因此煙包在檢測時位置是變化的。這里通過圖像匹配定位用來確定煙包監測范圍。在監測時首先要對圖像進行處理，裁剪出煙包檢測敏感部分。首先在檢測前要建立對比樣本庫，即把各種類型的典型缺陷圖像準備好，然后根據視覺系統把樣本庫與檢測時的圖像相比較，選取最佳匹配的圖像，確定否有缺陷以及缺陷類型。

由于煙包在傳送軌道上運動速度很快，假設其速度為950包/min，那么留給控制器計算處理的時間則不能超過35000μs，為了提高系統穩定性，需要增大容錯，那么控制器計算軟件處理的時間要小于30000μs。因此在設置檢測點時不宜過多，否則會增大樣本庫對比時間，進而影響到整個系統的效率。在檢測時，應根據實際包裝形狀及其特點進行檢測，選擇合適的形狀以及顏色，在保證檢測精確的情況下提高檢測效率。

5 結語

隨著卷煙市場競爭日益激烈，用戶和煙廠對香煙的外觀包裝質量要求越來越高，經實驗測試，本系統能夠滿足主流機型的煙包包裝質量檢測系統，安裝使用方便，而且運行穩定。當然隨著科技的發展，煙包外觀質量檢測裝置需要不斷改進，以促進卷煙工業科技的不斷進步。

參考文獻：

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